以电为核心的综合能源系统研究综述

郭光华，杜 颖，范云鹏，卞 峰，王瑞琪

（国网山东综合能源服务有限公司，山东 济南 250021）

0 引言

能源安全与环境保护已成为当今世界关注的焦点，我国作为能源消耗大国对此格外重视。我国在第七十五届联合国大会上，首次明确提出2030 年前“碳达峰”和2060 年前“碳中和”的战略目标。综合能源系统（Integrated Energy System，IES）的提出则为实现上述目标提供了技术载体。

IES是由能源供应系统、能源转换系统、能源输送系统、终端用户系统耦合而成的复杂系统［1］。在能源供应侧，核心技术包括可再生能源发电、分布式发电等；在能源转换侧，核心技术包括冷热电三联供、能量梯级利用等；在能源输送侧，核心技术包括天然气管道输送技术［2］、交直流混合控制技术［3-4］等；在终端用户侧，核心技术包括需求响应［5］、负荷预测［6］等。

IES 实现了电力、热力、制冷、天然气、交通等系统的耦合，以电力网络为基础，各能源系统之间协调运行、互联互通、互补互济［7］，改变了过去独立规划和运行的局面，是能源互联网的物理载体及未来能源系统的发展方向，具有重要的研究意义。

结合能源枢纽模型对IES的建模展开分析，并针对所建模型，对IES 的优化与规划方法展开论述；总结IES常见的折扣售电、配售联合、供销合作社、增值服务套餐、能源聚合商5 种业务模式，并结合工业园区、公共建筑、居民小区、学校校园和医院园区5 种典型场景展示IES的应用，并举例介绍省级智慧能源服务平台的应用情况。

1 IES的建模

IES在不断发展的过程中，对能源利用的要求进一步提高，与可再生能源的结合愈加紧密。可再生能源在开发过程中存在不均衡性、随机性、波动性等特点，只有通过转化为电能的形式，才能实现清洁低碳和安全高效的开发。可再生能源的大规模开发和利用，将推动终端电气化率的持续提升，电能将成为最主要的终端用能，现代能源体系呈现出“以电为核心”的特征［8］。因此，开展以电为核心的IES 研究非常必要。

IES 中多种能量的相互协同是由各种能量转换装置实现的。其中，供电装置包括热电联产以及冷热电三联供机组；供热装置包括热电联产机组、电锅炉等；供冷装置主要包括电制冷机、吸收式制冷机还有用户级的空调、冰箱等。

随着上述各种能量转换装置并入IES，各能源的耦合程度不断加深，负荷需求日趋多元化，如何用一个模型来描述“源-网-荷-储”之间的能量转换、分配与平衡关系变得至关重要。苏黎世联邦理工学院的Geidl 教授在“Vision of Future Energy Networks”项目中首次提出了能源枢纽的概念［9］，它被定义为描述多能源系统中多能流的转换、分配和存储关系的输入输出端口模型。能源枢纽的结构如图1所示。

图1 能源枢纽结构

假设能源枢纽的输入能量流为P，输出能量流为L，能源枢纽则可以表示为式（1）所示的矩阵形式。

式中：耦合矩阵C由调度因子矩阵ν与能量转换效率矩阵η组成，表征能量流的分配与转换关系。如考虑储能结构，则上述模型可以扩展为

式中：E为储能部分的能量；S为储能耦合矩阵［10］。

但耦合矩阵中调度因子的引入使能源枢纽模型呈现出高度非线性［11-12］，对后续能源枢纽的分析和优化提出了挑战。文献［13］对能源枢纽模型进行改进，提出一种标准化线性建模程序，消除了耦合矩阵中的调度因子。为更好地满足不同的负荷需求，IES中的能量耦合设备日益增多，因此，能源枢纽模型中耦合矩阵的求解变得愈发困难。文献［14-15］提出一种多步线性化能源枢纽建模方法，通过插入节点将复杂的能源枢纽模型分解为多个简单的能源枢纽模型，求得的简单能源枢纽耦合矩阵相乘得到整个系统的耦合矩阵。在实际的IES中，各装置的能量转换效率往往是非线性的。文献［16］考虑能量转换装置及能量存储装置的变效率特性，通过分段线性化方法对其进行线性化，最后通过标准化建模方法求得了耦合矩阵。在多个能源枢纽的联合建模方面，文献［17］考虑了各个能源枢纽的内部结构以及相互的能量传输方式，分别建立了能量枢纽的内部耦合模型和外部潮流模型。

目前，基于能源枢纽的建模方法仍存在一些问题，体现在如下两个方面：1）仅以效率表示能量转换设备，太过简单；2）未考虑电力系统、天然气系统以及热力系统的不同时间尺度特性，建立的模型基于静态框架下。未来须在动态框架下建立设备的精细化模型等方面开展相关研究，完善现有模型。

2 IES的配置优化

2.1 IES配置优化目标建模

IES的建设需要进行统一规划，即在某个特定区域里考虑当地的资源禀赋、经济投入、相关政策、环境保护等因素，在系统源侧制定合理的设备容量配置方案。

从整个能源系统来看，考虑经济性最优，一般采用某个周期内总成本最低作为目标函数，包括系统内每个设备投资建设所需要的成本、全周期内设备的维护成本、运行成本，包括向电网购电、购买天然气或生产沼气所需原材料的成本。随着近年来各种综合能源相关政策的颁布，政府补贴等影响成本的因素也被纳入考虑。文献［18］建立楼宇的能量枢纽模型，提出楼宇中综合能源设备的容量配置方法，实现经济成本最优。在IES内部，存在各环节商家的交易，需要达到收益的最大化。文献［19］参考价格-能量博弈模式，将工业IES 中运营商、生产商等商家收益最大化作为目标函数，进行氢储能的优化配置，在改善能量平衡的同时提升了运营商的收益。文献［20］结合系统收益和全寿命周期年均值成本的经济性指标，并结合其他指标得到氢能环节各个设备的容量配置。

考虑污染排放最小的优化目标，一般包括燃料燃烧所产生的二氧化碳等气体的排放量和购电量折算的排放量。根据不同污染物造成的环境影响，可设置相应权重系数来制定目标函数［21］。文献［22］考虑二氧化碳排放量，建立了对一个冷热电联供系统的容量规划模型。

在配置方案的基础上，可将设备容量作为约束，制定具体的优化运行策略，从而在满足需求的基础上实现IES经济性、环保性或其他性能的最优。文献［24］建立了计及效率的多目标优化调度问题的凸优化模型。文献［25］建立了考虑综合需求响应的能效模型，对目标函数进行线性化以便快速求解，得到了系统运行的调度方案。

2.2 IES配置优化求解评价

IES 中涉及冷、热、电、气等多种成分的耦合，其规划与调度的问题多属于非线性求解问题，通常需要使用遗传算法、粒子群算法等优化算法，或将非线性模型转化为线性模型进行求解。文献［26］基于混合整数非线性规划方法，建立了以年度总成本与碳排放为目标的数据中心规划调度模型，并选取ε-约束法对模型进行了求解。文献［27］考虑了碳交易，使用布谷鸟搜索算法对区域IES 进行了优化运行研究。文献［28］通过改进粒子群算法，对储能的区域IES优化模型进行求解，提高收敛速度的同时避免陷入了局部最优；文献［29］提出了区域电热IES分层优化调度方法，通过上下层解耦交换边界电功率和热功率获得全局最优策略；文献［30］结合储能建立了工业园区IES日前优化模型，使用分支定界法进行求解，将问题分解为若干个子问题进行快速求解。

在求解中，可再生能源的存在使得设备的出力具有波动性与不确定性，需要进行具体分析。文献［31］将能源枢纽容量设计问题首先表示为一个机会约束优化问题，其中蓄电池充放电通过控制策略响应随机可再生能源的产生和负载实现；文献［32］提出一种的风电-光伏-储热-电加热联合发电系统，考虑了新能源出力计算的不确定性，引入保证率使得出力结果更加符合真实情况。

对于综合能源的多目标配置方案与运行策略，最优解往往并不是唯一的，需要使用相关的指标对各类方案优缺点进行分析。文献［33］对智慧城市进行了供求关系的分析，建立了IES效益评估指标体系与评估模型，并通过生态工业园区的实例证明了模型的有效性。

3 综合能源服务业务模式

我国现阶段综合能源服务尚处于发展阶段，各传统能源行业正在积极转型，谋求与多元主体的合作［34］，探索多方共建、互惠互利的合作模式，因此，选择合适的综合能源服务业务模式具有重要意义。下面重点分析5种主要的业务模式。

3.1 折扣售电模式

售电公司为了调高市场份额占有率，吸引更多客户参与公司业务，会为新客户提供用电折扣和用能套餐。文献［35］将折扣因子引入需求响应中，研究用户负荷调节弹性差异化的特点，使参与需求响应的用户享受到更低的折扣价格。文献［36］通过研究价差返还模式下售电公司盈利影响因素，分析得出折扣售电模式利润空间有限的结论，建议售电公司后续开展其他能源服务，刺激用户参与市场交易。

3.2 配售联合模式

随着电力市场交易的开放普及，许多拥有配电网资源的公司开始转型开发配售电联合业务。文献［37］提出了分电压等级配电定价方式，进一步细化考虑位置信息的配电价格机制，并考虑了阶梯电价机制和购电代理机制，通过合理定价惠及终端用户。文献［38］根据用户的生产特性划分电价峰谷时段，并对有意执行分时电价的用户展开调查，结合他们的意见制定针对性的售电套餐。

3.3 供销合作社模式

部分发电公司采取和售电公司联合的方法，优先将电力销售给合作售电公司，售电公司盈利后回馈给发电公司。法国能源合作社Enercoop 销售的所有电力全部来自可再生能源，虽然售价偏高，但仍有许多环保人士支持，并且承诺将57%的利润返回给发电商［39］。我国广西能源联合售电公司也采用这种模式，凭借灵活的电价机制和服务机制，组织优势电力资源，满足客户用电需求。

3.4 增值服务套餐模式

综合能源公司除了开展供能业务外，还为用户准备了捆绑服务套餐，比如交通服务、充电桩服务、维修服务等。文献［40］中指出电力公司要积极探索综合能源服务业务，广泛借鉴经验，加强技术合作，提高供用电服务水平。文献［41］中提出售电公司应实行业务多元化战略，紧抓售电核心业务稳定客户，优化业务结构，拓展盈利区间。

3.5 能源聚合商模式

综合能源公司可以利用先进的信息网络技术，将分布式电源、储能系统、可控负荷等进行聚合和协调优化，作为一个特殊电厂参与辅助服务市场、电力市场交易［42］。文献［43］认为虚拟电厂可以作为调峰调频资源参与电网互动，并结合国外建设经验，从市场组成、市场准入、报价出清、结算四方面给出了建议。2021年两会上提出了在成渝地区适度发展虚拟电厂的提案，建设完善的管网体系，构建电力交易新模式，推动储气调峰市场体系建设，打造能源开放共享平台。

4 应用场景

我国能源供给侧结构性改革不断推进，能源生产和消费模式朝着多元融合、供需互动的方向快速发展［44］，未来的能源体系将越来越与用户的实际需求相契合。因此，综合能源公司需要分析客户的用能特点，根据客户需求制订方案。下文以实际参与项目为例，介绍5种常见的IES应用场景。

4.1 工业园区

工业园区是我国经济发展的重要组成部分，存在着用能形式丰富、数量大、节能空间广的特点［45］，在2021 年初，习总书记提出的双“碳”目标的带领下，实现园区能源体系经济、环保、高效的发展十分重要。

青岛中德生态园多能互补综合能源示范项目如图2 所示，应用多种IES 技术，开发智能优化调度与控制系统，将风、光、气、储、地热等多种分布式能源高效互联，实现区域IES能效最高、就地调节、供给可靠及经济运行，向用户提供多种能源供应、运营管理及增值服务，探索市场化商业运营模式。

图2 青岛中德生态园鸟瞰概念图

4.2 公共建筑

我国公共建筑的数量和能源消耗持续增长［46］，然而公共建筑自动化水平低，能源利用不充分，用能尖峰突出，单位能耗较高。因此，开展节能改造，提升智控能力，成为实现智能化、精细化管理的重要手段。

济南市绿地中心智慧用能示范项目，如图3 所示，使用智慧能源网关构建楼宇无线专网，实现建筑用能全息感知控制，汇集建筑用能大数据，开发智能控制策略，对建筑内耗能设备进行全局优化、统一管理，提高建筑内整体设备能源利用效率15%，提高设备使用寿命20%～30%，降低人员成本20%～30%。

图3 济南绿地中心智慧用能管控平台

4.3 居民小区

随着我国经济的快速发展，居民消费方式发生了明显的变化，生活水平不断提升，能源消耗也逐渐增加［47］，生活用能主体从化石能源逐渐转变清洁能源，但不同地区的用能水平存在较大差异。

临沂市丰源新区清洁供暖项目如图4所示，采用“EPC 总承包+项目运维”模式，提前规划社区的用热负荷，建设以-30 ℃超低温空气源热泵为主的分布式智慧能源站，安装简便，运行可靠，实现居民清洁取暖全覆盖，年节约标煤1.8万t、减排二氧化碳4.4万t。

图4 临沂市丰源新区清洁供暖项目

4.4 学校校园

学校由于教学科研的特殊性，建筑种类繁多，建筑使用频次不同，单体建筑用能使用一致性高，设计峰值大，具有明显的可预测性和间隔性［48］。不少学校的教室和图书馆存在着“长明灯”浪费现象，教学建筑的空调系统也无管控措施，能源精细化程度不够。

山东大学兴隆山校区智能运维项目如图5 所示，采用信息化、智能化手段，将客户的重要信息接入到智慧能源服务平台，运用人工智能和大数据分析，提供站内信息实时监控、用电情况科学分析、故障信息及时告警、用电政策专业分享等专业化服务，做好客户用电的“智能管家”，实现学校人均综合能耗、单位建筑面积能耗同比下降的年度目标。

图5 山东大学兴隆山校区智能运维项目

4.5 医院园区

我国医院的规模不断扩大，供能要求也越来越高。医院有着建筑规模大、用能结构复杂、医疗设备多、空调耗电量高、用能可靠性及连续性要求高等特点［49］。因此，用能系统是否合理运行，关系到医院的经济效益，开展节能降耗改造成为必然要求。

济南槐荫区某医院能源托管项目针对医院园区的供冷热改造需求，考察各个功能区实际用能情况，在夏季采用变频水冷螺杆机制冷，冬季采用模块式冷水燃气锅炉采暖。同时对室内已损坏的末端进行维护更换，降低能源花费，提升医院能源系统运行经济性。

5 智慧能源服务平台

随着国家能源局陆续推出《能源发展“十三五”规划》、《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》等政策文件，实施综合能源服务将成为提升系统能效、降低系统运行成本、推动系统绿色发展的重要方式［50］。综合能源服务平台为综合能源服务提供了可视化的管理工具，大幅提升了工作人员的效率，并通过采集数据分析系统的能效水平，充分挖掘系统的节能潜力，为工作人员开展运行优化和能效提升工作提供指导。

目前，我国部分城市已经建成综合能源服务平台。成都高新西区天然气分布式能源站建成了包括数字化移交、全厂数据信息集成融合的一体化综合能源平台［50］。苏州现代传媒广场开发了智慧能源管理平台，建立能源监测计量体系，开展能效分析及能效优化工作［51］。国家电网青海新能源大数据创新平台向包括大唐、鲁能、绿电等企业、政府和金融机构提供新能源大数据服务［52］。

国网山东省电力公司开发的智慧能源服务平台如图6 所示，充分利用了“电力物联网”和“互联网+”技术，构建“平台+生态”的运营模式，为政府、用能客户、能源服务商、能源设备商等不同群体提供了专有平台和个性化服务，主要包括能效管理、智能运维、需求响应、能源大数据、现货交易等功能模块。

图6 省级智慧能源服务平台

能效管理模块通过对客户侧电、水、气、热等多种能源进行监测分析，建设能效指标体系，针对不同客户群体分别提供能源监测、能效诊断、能效提升服务。

智能运维模块对设备、用电进行全景感知，实现智能化告警和大数据研判，完成抢修资源智能调配和运维抢修的全过程管控。

需求响应模块通过全过程管控平台为政府提供响应效果分析报告，为年度预案等决策做支撑，为负荷聚合商、用能客户提供响应申报、响应计划、补贴查询等全流程服务，引导客户参与需求响应，减少用能尖峰。

能源大数据模块包含用户画像、用电计划执行分析、用电偏差风险管理、售电量预测、售电盈利分析、用户能效分析、行业动态展现等功能，精准掌握行业景气发展及变化趋势，实现产业合理布局。

现货交易模块以营销电力客户档案与电力交易系统交易申报、成交等相关信息为基础，为售电公司、综合能源公司和客户提供电力现货市场交易监测分析、市场预测、交易策略管控、富余能源交易、绿电交易等服务，解决能源消纳问题，增强客户黏性。

6 结语

介绍能源枢纽的概念，并对其扩展模型及各种建模方法进行了综述，为IES的分析提供了平台。在此基础上对IES的优化及配置方法进行了总结，并结合相关评价指标进行了探讨。最后梳理了常见的IES业务模式以及应用场景，并展示了国网山东电力建设的智慧能源服务平台。

去化石能源是实现“碳中和”的必经之路。因此，未来的IES应考虑如何提高可再生能源消纳能力及能源利用率，有效解决和应对未来化石能源枯竭的重要难题。